1、 基于TMS320VC5402的自適應濾波器設計本文從自適應濾波器研究的意義入手，介紹了自適應濾波器的基本理論思想，具體闡述了自適應濾波器的基本原理、算法及設計方法。自適應濾波器的算法是整個系統(tǒng)的核心。本文中，對兩種最基本的自適應算法，即最小均方誤差(LMS)算法和遞歸最小二乘(RLS)算法進行了詳細的介紹，采用protel對硬件設計進行詳細的分析，對軟件分析則采用MATLAB進行仿真，最后用DSP實現(xiàn)了自適應濾波器。實驗結(jié)果表明，該自適應濾波器濾波效果優(yōu)越。關(guān)鍵詞：DSP、自適應濾波器、硬件系統(tǒng)、最小均方LMS算法、MATLAB一概述濾波技術(shù)是信號處理中的一種基本方法和技術(shù)，尤其數(shù)字濾波技術(shù)

2、使用廣泛，數(shù)字濾波理論的研究及其產(chǎn)品的開發(fā)一直受到很多國家的重視?，F(xiàn)代濾波則不要求己知信號和噪聲的統(tǒng)計特性，如自適應濾波。自適應濾波的原理就是利用前一時刻己獲得的濾波參數(shù)等結(jié)果，自動地調(diào)節(jié)現(xiàn)時刻的濾波參數(shù)，從而達到最優(yōu)化濾波。自適應濾波具有很強的自學習、自跟蹤能力，適用于平穩(wěn)和非平穩(wěn)隨機信號的檢測和估計。自適應濾波一般包括3個模塊：濾波結(jié)構(gòu)、性能判據(jù)和自適應算法。其中，自適應濾波算法和應用一直是人們的研究熱點，包括線性自適應算法和非線性自適應算法，非線性自適應算法具有更強的信號處理能力。方案論證基于自適應濾波器的濾波結(jié)構(gòu)、性能判據(jù)和自適應算法，設計一自適應濾波器系統(tǒng)，以TMS320VC5402

3、芯片作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理核心，設計A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，時鐘電路，復位電路，電平轉(zhuǎn)換，JTAG接口，電源等外圍電路,并使用MATLAB編程，采用自適應濾波器技術(shù)實現(xiàn)語音去噪過程，通過Matlab仿真結(jié)果分析，自適應濾波器具有很好的性能。課題研究目的和意義對自適應濾波算法的研究是當今自適應信號處理中最為活躍的研究課題之一。Windrow等于1967年提出的自適應濾波系統(tǒng)的參數(shù)能自動的調(diào)整而達到最優(yōu)狀況，而且在設計時，只需要很少或根本不需要任何關(guān)于信號與噪聲的先驗統(tǒng)計知識。這種濾波器的實現(xiàn)差不多像維納濾波器那樣簡單，而濾波器性能幾乎如卡爾曼濾波器一樣好。自適應濾波器與普通濾波器不同，它的沖激響應或濾波

4、參數(shù)是隨外部環(huán)境的變化而變化的，經(jīng)過一段自動調(diào)節(jié)的收斂時間達到最佳濾波的要求。自適應濾波器本身有一個重要的自適應算法，這個算法可以根據(jù)輸入、輸出及原參量信號按照一定準則修改濾波參量，以使它本身能有效的跟蹤外部環(huán)境的變化。因此，自適應數(shù)字系統(tǒng)具有很強的自學習、自跟蹤能力和算法的簡單易實現(xiàn)性。自適應濾波技術(shù)的核心問題是自適應算法的性能問題，提出的自適應算法主要有最小均方(LMS)算法、遞歸最小二乘(RLS)算法及相應的改進算法。由于LMS算法簡單有效、魯棒性好、易于實現(xiàn)，得到了廣泛的應用。目前應用最多的是系統(tǒng)辨識、回波消除、自適應譜線增強、自適應信道均衡、語音線性預測、自適應天線陣等諸多領域。二、

5、自適應濾波器的系統(tǒng)設計2.1濾波器的基本概念凡是有能力進行信號處理的裝置都可以稱為濾波器。在近代電信裝備和各類控制系統(tǒng)中，濾波器應用極為廣泛；在所有的電子部件中，使用最多，技術(shù)最復雜要算濾波器了。濾波器的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品的優(yōu)劣，所以，對濾波器的研究和生產(chǎn)歷來為各國所重視。濾波器是一種用來消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出經(jīng)過過濾而得到純凈的交流電。您可以通過基本的濾波器積木塊一一二階通用濾波器傳遞函數(shù)，推導出最通用的濾波器類型：低通、帶通、高通、陷波和橢圓型濾波器。傳遞函數(shù)的參數(shù)fO、d、hHP、hBP和hLP，可用來構(gòu)造所有類型的濾波器。轉(zhuǎn)降頻率fO為s項開始占支配作用時的頻率。2.2自適應濾

6、波器的原理自適應濾波，就是利用前一時刻以獲得的濾波器參數(shù)的結(jié)果，自動的調(diào)節(jié)現(xiàn)時刻的濾波器參數(shù)，以適應信號和噪聲未知的或隨時間變化的統(tǒng)計特性，從而實現(xiàn)最優(yōu)濾波。其實質(zhì)就是一種能調(diào)節(jié)其自身傳輸特性以達到最優(yōu)的維納濾波器。由于無法預先知道信號和噪聲的特性或者它們是隨時間變化的，僅僅用FIR和II種具有固定濾波系數(shù)的濾波器無法實現(xiàn)最優(yōu)濾波。在此情況下，必須設計自適應濾波器，以跟蹤信號和噪聲的變化。自適應濾波器的特性變化是由自適應算法通過調(diào)整濾波器系數(shù)來實現(xiàn)的。一般而言，自適應濾波器由兩部分組成，一是濾波器結(jié)構(gòu)，二是調(diào)整濾波器系數(shù)的自適應算法。自適應濾波器的結(jié)構(gòu)采用FIR或IIR結(jié)構(gòu)均可，由于IIR濾波

7、器存在穩(wěn)定性問題，因此一般采用FIR濾波器作為自適應濾波器的結(jié)構(gòu)。自適應濾波器的結(jié)構(gòu)可以采用FIR或IIR濾波器存在穩(wěn)定性問題，因此一般采用FIR濾波器作為自適應濾波器的結(jié)構(gòu)。自適應FIR濾波器結(jié)構(gòu)又可分為3種結(jié)構(gòu)類型：橫向型結(jié)構(gòu)(TransversalStrueture)、對稱橫向型結(jié)構(gòu)(SymmetrieTransversalStrueture)以及格型結(jié)構(gòu)(LatticeStruture)。23自適應濾波器的算法自適應濾波器除了包括一個按照某種結(jié)構(gòu)設計的濾波器，還有一套自適應的算法。自適應算法是根據(jù)某種判斷來設計的。自適應濾波器的算法主要是以各種判據(jù)條件作為推算基礎的。通常有兩種判據(jù)條件

8、：最小均方誤差判據(jù)和最小二乘法判據(jù)。LMS算法是以最小均方誤差為判據(jù)的最典型的算法，也是應用最廣泛的一種算法。最小均方誤差(LeastMeanSquare，LMS)算法是一種易于實現(xiàn)、性能穩(wěn)健、應用廣泛的算法。所有的濾波器系數(shù)調(diào)整算法都是設法使y(n)接近d(n)，所不同的只是對于這種接近的評價標準不同。LMS算法的目標是通過調(diào)整系數(shù)，使輸出誤差序列e(n)=d(n)-y(n的均方值最小化，并且根據(jù)這個判據(jù)來修改權(quán)系數(shù),該算法因此而得名。誤差序列的均方值又叫“均方誤差”(MeanSqluareError,MSE)。理想信號d(n)與濾波器輸出y(n)之差e(n)的期望值最小，并且根據(jù)這個判據(jù)來

9、修改權(quán)系數(shù)wi(n)。由此產(chǎn)生的算法稱為LMS。均方誤差8表示為：二Ee2(n)二Ed(n)-y(n)(2-1)對于橫向結(jié)構(gòu)的濾波器，代入y(n)的表達式：=d2(n)+WT(n)RW(n)-2Wt(n)P(2-2)其中：R=EX(n)XT(n)為NXN的自相關(guān)矩陣，它是輸入信號采樣值間的相關(guān)性矩陣。24TMS320VC5402的簡介TMS320VC5402是公司的定點數(shù)字信號處理芯片，是一種特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，為了達到快速進行數(shù)字信號處理的目的，采用程序與數(shù)據(jù)分開的總線結(jié)構(gòu)流水線操作，單周期完成乘法的硬件乘法器以及一套適合數(shù)字信號處理的指令集TMS320C5402主要特點:1個40位的算術(shù)邏

10、輯單元,2個40位的累加器,2個40位的專用加法器,1個17X17的并行乘法器,1個40位的桶形移位器。8個輔助寄存器和1個軟件棧。內(nèi)部集成Viterbi加速器,用于提高Viterbi編譯碼的速度?？晒ぷ髟谌N低功耗方式(IDLE1、I2DLE2、IDLE3)。1192KWORD尋址空間(64KW程序空間、64KW數(shù)據(jù)空間、64KWI/O空間)，某些型號的程序空間可擴展到8MWORD。片內(nèi)存儲區(qū)可靈活配置為程序/數(shù)據(jù)存儲器。多種復用外設;McBSP、HPI、GPIOTDM、DMA、Timer、PLL。雙電源供電,提供PGE和BGA兩種形式的封裝。TMS320VC5402,最高頻率100MHz,

11、性價比高。它含4KX16bit片內(nèi)ROM、16KX16bit片內(nèi)DARAM、6個DMA通道、2個McBSP、2個Timer,外部程序空間可擴展到IMX16bit。對于片外數(shù)據(jù)空間一般建議選用高速SRAM,盡量減少DSP的等待周期。用戶程序一般在上電時從外部ROM加載到片內(nèi)RAM區(qū)運行。程序存儲器FlashRom:256KX16；一片數(shù)據(jù)存儲器SRAM:64KX16一片；可編程邏輯器件CPLD:一片。三、硬件設計3.1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖：采用TI公司的DSP芯片TMS320VC5402,還有電源芯片，AD轉(zhuǎn)換器，儲存器,時鐘，JTAG接口的連接。結(jié)構(gòu)圖如圖2：3.1.2電源電路設計：由于TMS3

12、20VC5402核電壓為1.6V，端口電壓為3.3V，外圍器件為3.3V，其它器件的提供電壓在3.3V.TI公司的電源TPS76D318是一個雙輸出電壓為3.3V2.9VRESETR1410KU5MAX7)6SMRVCCWDIWDORESET3S3夫4PFITFOGNDRESET3.3V2A77T圖3復位電路分離電源，可以由3.3V產(chǎn)生3V和1.6V的電壓輸出，最大輸出電流為1A，可以滿足要求。該器件具有快速瞬態(tài)響應和超低85uA典型靜態(tài)電流，熱關(guān)斷保護的每一個調(diào)節(jié)，有個28引腳。復位電路設計：系統(tǒng)上電時可自動復位，但是為了防止系統(tǒng)受到外界干擾或電源波動時出現(xiàn)死機現(xiàn)象，還專門加了外部RESET

13、，主要使用了施密特觸發(fā)器74LS14。3.1.4時鐘電路設計：采用外部時鐘，根據(jù)晶振不同，采用的晶體振蕩電容也不同，這里采用16MHz晶振，起振電容選為104pF。系統(tǒng)中讓DSP工作在16MHz的頻率，因此根據(jù)5402DSP-D3DSP-D2DSP-D1DSP-D0100KQR4_|DSP-A3DSP-A2DSP-A1DSP-A0150Q.R1JJ?100KQR7RED47嚇C1NCNCNCNC1GNDNC1EN1FB/SENSE1IN1OUT1IN1OUTNC2RESETNCNC2GNDNC2EN2SENSE2IN2OUT2IN2OUTNCNCNCNCz-蜂6TPS73HD30145鮎89-

14、0H12-3-4zzr24QO18-*171615R6l0yFC41KQR3vxTv，R510gFC5圖4電源電路的主時鐘配置規(guī)則，只要將5402的CLKMD1,CLKMD2,CLKMD3這3個引腳分別選擇高電平，低電平，低電平即可。3.3VAD轉(zhuǎn)換電路設計：因為C5402內(nèi)部沒有AD轉(zhuǎn)換功能，因此在數(shù)據(jù)采集時需要使用AD轉(zhuǎn)換芯片。為了充分利用C5402所提供的多通緩沖串口資源，我們采用TI公司生產(chǎn)的CMOS型10b模數(shù)芯片TLV1544。其內(nèi)部采用開關(guān)電容逐次近似來得到模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果。芯片有4路模擬信號輸入通道,通過芯片內(nèi)部參數(shù)設置選擇不同通道輸入，進行A/D轉(zhuǎn)換輸出。TMS320VC5402

15、是TI公司生產(chǎn)的具有很高性價比的定點DSP。他有2個多通道緩沖串口（McBSP）,設計中使用McBSPO完成配置TLV1544以及接收轉(zhuǎn)換好的數(shù)字信號。接口原理圖如圖2所示。TLV1544的INVCLK,CSTART接高電平,輸入/輸出時鐘不翻轉(zhuǎn)且采樣/轉(zhuǎn)換考試控制功能不使用。TMS320VC5402的XF引腳提供TLV1544的片選信號。TLV1544的EOC觸發(fā)DSP的外部0中斷,轉(zhuǎn)換結(jié)束通過中斷接收轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)。TLV1544與TMS320VC5402通過串行口連接,此時，A/D轉(zhuǎn)換芯片作為從設備,DSP提供幀同步和輸入/輸出時鐘信號。AIN1AIN2AIN3AIN4AIN5J11AIN

16、6AIN7AIN8rC301壬VREF23VREFJh2610C2104AGNDCH0D9/A1CH1D8/A0CH2D7CH3D6CH4D5CH5D4CH6D3CH7D2D1MOD0AINCSREFPWRAVDDRDDVDDCLKREFMINT/EOCAGNDCSTARTDGNDU11TLV1578SOP3212342930313228272425921DATA920DATA819DATA718DATA617DATA516DATA415DATA314DATA213DATA112DATA05ADCS#6ADWR#7ADRD#8ADCTK11ADINT丑22ADCSTART#圖6A/D轉(zhuǎn)換電路J

17、TAG接口電路設計:JTAG是基于IEEE1149.1標準的一種邊界掃描測試方式。TI公司為其大多數(shù)的DSPs產(chǎn)品都提供了JTAG端口支持,5402也不例外。結(jié)合配套的仿真軟件,可訪問DSPs的所有資源,包括片內(nèi)寄存器及所有的存儲器,從而提供了一個實時的硬件仿真與調(diào)試環(huán)境,便于開發(fā)人員進行系統(tǒng)軟件調(diào)試。除上述電路接口外,要使系統(tǒng)板正常地工作,還必須配置跳線和接插座等部分。其中:電源模塊接出一個插座,以便于外部電壓輸入;音頻編解碼部分需安裝話筒和揚聲器;USB芯片要連接到USB接口插件,以實現(xiàn)與主機的交互。實用起見,所有這些插件均設置在電路板邊界部分。最后,對于系統(tǒng)中一些難以事先決定的設置引腳附

18、近,放置上位/下拉電阻,為以后的電路更改或擴展提供方便.通過JTAG接口，可以對C5402芯片內(nèi)部的所有結(jié)構(gòu)進行訪問，如圖所示：DSP_JTAG電平轉(zhuǎn)換電路的設計：主機接口(HPI)是TMS320C5402定部具有的一種接口部件，主要用于DSP芯片與其它總線或CPU進行通信。HPI接口通過控制寄存器(HPIC)、地址寄存器(HPIA)、數(shù)據(jù)所存器(HPI內(nèi)存塊實現(xiàn)與主機通信。其主要特點有：接口所需外圍硬件芯片很少；HPI單元允許芯片直接利用一個或兩個數(shù)據(jù)選通信號、一個獨立或復用的數(shù)據(jù)總線接到為控制單元MCU上；主機和DSP芯片可獨立地對HPI接口操作；主機和DSP芯片握手可通過終端方式來完成。

19、主機還可以通過HPI接口裝載DSP應用程序、接受DSP運行結(jié)果或診斷DSP運行狀態(tài)。HPI為DSP芯片的接口開發(fā)提供了一種極為方便的途徑。3.1.8儲存器電路設計：內(nèi)儲存器直接與CPU相連接，儲存容量較小，但速度快，用來存放當前運行程序的指令和數(shù)據(jù)，并直接與CPU交換信息。內(nèi)儲存器由許多儲存單元組成，每個單元能存放一個二進制數(shù)或一條由二進制編碼表示的指令。內(nèi)儲存器是由隨機儲存器和只讀儲存器構(gòu)成的內(nèi)存，即RAM(Randomaccessmemory)通過使用二進制數(shù)據(jù)儲存單元和直接與CPU聯(lián)系，大大減少了讀取數(shù)據(jù)的時間。RAM上所存數(shù)據(jù)在關(guān)機或計算機異常是會自動清除，所以人們才需要將數(shù)據(jù)保存在硬

20、盤等外存上。DSP_ADDRODSP_ADDR1DSP_ACDR2DSP_ADDR3DSP_ACDR4DSP_ACDR5DSP_ACDR6DSP_ACDR7DSP_ADDR8DSP_ADDR9DSP_ADDR10DSP_ADDR11DSP_ADDR12DSP_ADDR13DSP_ADDR14DM_ADDR15DM_ADDR16DM_ADDR17GNDD14001U9CY7C1041BA0I/O15A1I/O14A2I/O13A3I/O12A4I/O11A5I/O!)A6I/O9A7I/O8A8I/O7A9I/O6A10I/O5A11I/O4A12I/O3A13I/O2A14I/O1A15I/O

21、0A16NC(ADD18A17/CEVSS/OEVSS/WEVCZ/BHEVCZ/BLE118T920TTzz74ZD774344Iz143311DSP_ADDR02538DSP_DATA15DSP_ADDR1Z43/DSP_DATA14DSP_ADDR2Z336DSP_DATA13DSP_ADDR3zz35DSP_DATA12DSP_ADDR4Z132DSP_DATA11DSP_ADDR5Z031DSP_DATA10DSP_ADDR61930DSP_DATA9DSP_ADDR71829DSP_DATA8DSP_ADDR8816DSP_DATA7DSP_ADDR9/15DSP_DATA6DSP

22、_ADDR10614DSP_DATA5DSP_ADDR11513DSP_DATA4DSP_ADDR12410DSP_DATA3DSP_ADDR1339DSP_DATA2DSP_ADDR1428DSP_DATA1DM_ADDR151/DSP_DATA0DM_ADDR164828DM_ADDR18DM_ADDR171/6SRAMCE#DM_ADDR181641MEM_RD#DM_ADDR19917MEMWE#FLASH_CE#MEM.RD#D4BT1IGNDMEM_WE#DSP_RST#40013VGNDDJ0AM2LV40BA0VCZA1A2DQ0A3DQ1A4DQ2A5DQ3A6DQ4A7DQ

23、5A8DQ6A9DQ7A10DQ8A11DQ9A12DQ10A13DQ11A14DQ12A15DQ13A16DQ14A17DQ15A18A19RY/BYNC1BYTENC2CENC3OEWeVSSreseVSS15T7Z87rzTIT4610-3/Z9DSP_DATA031DSP_DATA133DSP_DATA235DSP_DATA338DSPDATA440DSPDATA542DSPDATA644DSP_DATA730DSPDaTa832DSPDaTa934DSPDATA1036DSP_DATA1139DSP_DATA1241DSP_DATA1343DSPDaTa1445DSPDATA15GN

24、DPZ13J1MEM_WE#1MEM_RD#2FLASHCE#3TSRAM_CE#3.3V87圖8電平轉(zhuǎn)換電路10K*4四、軟件設計3.2.1MATLAB的介紹MATLAB具有強大的語言功能，它是集命令翻譯，科學計算于一身的一套交互軟件系統(tǒng)，在MATLAB環(huán)境下，矩陣的運算變得異常的容易，它允許用戶以數(shù)學形式的語言編寫程序，比BASIC、FOTRRAN和C等語言更接近于書寫計算公式的思維方式。它的操作和功能函數(shù)指令是以平時計算機和數(shù)學書上的簡單英文單詞表達的。由于它在很長一段時間內(nèi)是用C語言開發(fā)的，它的不多的幾個程序流控制語句同語言差別甚微，初學者很容易掌握。MATLAB語言的幫助系統(tǒng)也近乎完

25、備，用戶可以方便的查詢到想要的各種信息。另外，MATLAB還專門為初學者提供了功能演示窗口，用戶可從中得到感興趣的例子和演示。為了準確地把一個控制系統(tǒng)的復雜模型輸入給計算機，然后對之進行進一步的分析與仿真，MATLAB提供了新的控制系統(tǒng)模型圖形輸入與仿真工具，定名為Simulnik。Simulikn是用來建模、分析和仿真各種動態(tài)系統(tǒng)的交互環(huán)境，包括連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和混雜系統(tǒng)。Simulnik提供了采用鼠標拖放的方式建立系統(tǒng)框圖模型的圖形交互界面。通過Simulnik豐富的功能塊可以迅速的建立系統(tǒng)模型。后來又增添了豐富多彩的圖形處理及多媒體功能，使得MATLAB的應用范圍越來越廣泛。3.2.2

26、實現(xiàn)MATLAB仿真clearclcee=0;fs=800;det=1/fs;f1=100;f2=200;t=0:det:2-det;x=randn(size(t)+cos(2*pi*f1*t)+cos(2*pi*f2*t);%未知系統(tǒng)b,a=butter(5,150*2/fs);d=filter(b,a,x);%自適應FIR濾波器N=5;delta=0.06;M=length(x);y=zeros(1,M);h=zeros(1,N);forn=N:Mx1=x(n:-1:n-N+1);y(n)=h*x1;e(n)=d(n)-y(n);h=h+delta.*e(n).*x1;endX=abs(fft(x,2048);Nx=length(x);kx=0:800/Nx:(Nx/2-1)*(800/Nx);D=abs(fft(d,2048);Nd=length(D);kd=0:800/Nd:(Nd/2-1)*(800/Nd);Y=abs(fft(y,2048);Ny=len